中國可重複使用試驗太空飛行器（China's reusable experimental spacecraft），是中國研製的新型可重複使用的試驗太空飛行器。
可重複使用太空飛行器是指可以重複使用的、能夠迅速穿越大氣層，自由往返於地球表面與太空之間，運送乘員和有效載荷；也可以指較長時間在軌停留和機動、完成各種任務的太空飛行器，包括載人飛船、貨運飛船、推進飛行器、行星著陸器、太空梭等。
2022年8月5日，中國在酒泉衛星發射中心，運用長征二號F運載火箭，成功發射一型可重複使用的試驗太空飛行器。該太空飛行器在軌飛行276天后，於2023年5月8日成功返回預定著陸場。該次試驗的成功，標誌著中國可重複使用太空飛行器技術研究取得重要突破，後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。2023年12月14日，中國在酒泉衛星發射中心，運用長征二號F運載火箭，成功發射一型可重複使用的試驗太空飛行器。
基本介紹
- 中文名：中國可重複使用試驗太空飛行器
- 外文名： China's reusable experimental spacecraft
- 首發時間：2020-09-04
- 研製國家：中國
- 裝備類型：可重複使用太空飛行器
- 套用領域：航空航天
- 運載火箭：長征二號F
- 發射場：酒泉衛星發射中心
研製歷程,歷史背景,各國研製,中國研製,系統組成,總體設計,熱防技術,結構壽命,發射動態,發射記錄,發射任務,技術創新,全面提升,成本優勢,總體評價,
研製歷程
歷史背景
20世紀60年代蘇聯加加林完成第一次載人航天飛行以後，經過50多年的發展，載人航天技術已經取得了很大發展。載人航天任務主要包括近地軌道空間站任務和載人登月、月球基地以及火星基地等載人深空探測任務。隨著載人航天活動規模的擴大，人類在空間居住與生存的時間越來越長，承擔人員與貨物運輸的太空飛行器的發射頻次也越來越高。而高昂的成本是制約大規模載人航天任務發展的主要因素，尤其是隨著商業資本進入載人航天領域，太空飛行器的低成本運營已成為未來載人航天可持續健康發展的必然要求。從中國國內外新一代可重複使用載人飛船技術的發展來看，發展可重複使用太空飛行器技術是降低載人航天任務成本的主要手段之一。
各國研製
20世紀70年代以來世界各國相繼推出的可重複使用太空飛行器系統：
- “載人龍”飛船
“載人龍”飛船是美國航天局NASA在“商業乘員計畫”下支持發展的2型載人飛船之一，由SpaceX公司負責研製，能夠執行低成本、業務化的低地球軌道載人航天飛行任務。未來，NASA只需支付政府航天員運送費用，SpaceX公司完成載人飛船的研製、發射和運行任務。“載人龍”飛船具有可重複使用、乘員運輸能力強、內部空間大、操作友好等特點。“載人龍”飛船採用兩艙段設計方案，包括乘員艙和非密封艙兩部分：乘員艙用於運送乘員和加壓貨物；非密封艙可攜帶非加壓貨物，同時在外表面安裝了太陽電池和熱輻射器用於發電和熱控制，4個尾翼在緊急分離情況下可提供氣動穩定性。“載人龍”飛船設計最多可搭乘7名航天員，獨立飛行時可工作1周，對接狀態下可工作210天。
- “星艦”系統
由“星艦”和超重火箭構成的“星艦”系統是SpaceX下一代完全可重複使用運輸系統。每次發射後，超重火箭可以返回地面。而“星艦”本身也有強大推力，可以靠自己前往火星和月球。
- “星際客船”
“星際客船”是波音公司（Boeing）與NASA“商業乘員計畫”合作開發的新一代載人飛船，主要用於執行近地軌道任務。
“星際客船”為兩艙段設計，包括航天員艙和服務艙兩部分。乘員艙為錐形，主要負責運送乘員和貨物；服務艙為圓柱形，具備發射逃逸、姿軌控、發電、熱輻射等功能。飛船最多可搭載7名航天員，也可以乘員加貨物的形式進行混合搭載。飛船獨立飛行狀態設計壽命60小時，對接狀態設計壽命210天，具備重複使用能力，最多可使用10次，以6個月為周期實現復飛。
- “獵戶座”飛船
“獵戶座”飛船是美國“阿爾忒彌斯”（Artemis）計畫的重要組成部分，承擔了關鍵的乘員地月往返運輸功能。飛船由洛馬公司（LM）牽頭研製，團隊包括主要分承包商航空噴氣發動機-洛克達因公司（AerojetRocketdyne）、聯合技術宇航系統公司（UTCAerospace Systems）、霍尼韋爾公司（Honeywell），以及眾多次要分承包商和小企業；歐洲航天局（ESA）承擔了服務艙的研製工作。
“獵戶座”飛船具有多用途、可重複使用的特點，設計能夠到達月球、小行星等多個目的地。“獵戶座”飛船由乘員艙、服務艙和發射緊急中止系統構成。飛船可搭載4名航天員，乘員艙可重複使用，最多可執行10次飛行任務。
- “雄鷹”飛船
俄羅斯“雄鷹”載人飛船主要用於月球探測任務，並能夠自主開展空間實驗和研究。
“雄鷹”飛船最多可搭載4名航天員，可在軌自主飛行近30天，也可停靠在空間站上在軌駐留近1年的時間。在執行短期地月往返飛行任務時可重複使用10次，在執行長期與繞月軌道站對接任務時，飛船可重複使用不少於3次。
中國研製
- 總體規劃
《2021中國的航天》白皮書中提出：未來五年，中國將持續提升航天運輸系統綜合性能，加速實現運載火箭升級換代。推動運載火箭型譜發展，研製發射新一代載人運載火箭和大推力固體運載火箭，加快推動重型運載火箭工程研製。持續開展重複使用航天運輸系統關鍵技術攻關和演示驗證。面向航班化發射需求，發展新型火箭發動機、組合動力、上面級等技術，拓展多樣化便利進出空間能力。
中國航天科技集團此前也規劃在2025年前後，研製成功可重複使用的亞軌道運載器。這些無疑為人們打開了更大的想像空間。
2024年3月，中國航天科技集團有限公司訊息，為適應商業航天市場需求，我國正抓緊研製4米級、5米級可重複使用火箭，計畫分別於2025年和2026年首飛。
- 預研試飛
而在實現“水平起飛+水平回收”小型太空梭終極“進化目標”之前，中國研製單位不斷在探索中間的實踐方案，那就是先採用“垂直起飛、水平回收”的模式。
2007年底，中國“跨大氣層太空飛行器”的演示樣機開始在網路上流傳，這也是中國實踐中間過渡模式的第一次“亮相”，其主要目的就是為今後中國開展可重複使用的太空梭或者其他“跨大氣層太空飛行器”進行技術方面的測試。
2016年3月，香港媒體援引美媒的報導，中國的“神龍”空天試驗飛機進行了一次試驗，美軍的所有偵察系統全部對準了這架轟6和神龍飛船。
2021年的珠海航展上，中國航天科工集團展示“騰雲工程”空天飛機模型。由於航天的物理原理，空天飛機在軌飛行時是不需要消耗燃料的，並且因為太空的重力環境，做變軌飛行和姿態調整時也只需消耗很少的燃料。騰雲工程已完成首次組合動力模態轉化飛行試驗，實現了空天飛行動力技術重大突破。
- 首次試驗
2020年9月4日，中國在酒泉衛星發射中心，利用長征二號F運載火箭，成功發射一型可重複使用的試驗太空飛行器。該太空飛行器在軌飛行2天后，於9月6日成功返回預定著陸場。該試驗成功標誌著中國可重複使用太空飛行器技術研究取得重要突破，後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。
系統組成
總體設計
重複使用航天運輸系統總體來看分為三種技術途徑：
一是傳統運載火箭構型重複使用， 一般包括運載火箭助推/子級回收和垂直起降運載火箭；
二是火箭動力重複使用，如升力式構型運載器等；
三是組合動力重複使用，如火箭基組合循環、渦輪基組合循環發動機、複合預冷等。
中國已經在上述三種重複使用技術的發展路線上同步推進並形成了梯次能力。
可重複使用太空飛行器方案
美國基斯特勒宇航公司（Kistler）的K-1、空間探索技術公司（SpaceX）的Falcon9火箭先後開始研製基於多級入軌的完全可重複使用運載火箭。
K-1是一種完全重複使用的兩級運載火箭，分別為助推級運載器平台和軌道級運載器。助推級飛行至41.2km的高度時與軌道級分離並返回發射場，通過降落傘和氣囊完成著陸。軌道級運載器採用真空推力型發動機NK-43將有效載荷送至預定軌道，經過自身姿態的調整，通過軌道機動發動機點火工作實現降軌，從而重新進入大氣層並自主返回，隨後同樣採用降落傘和氣囊著陸。
與K-1火箭不同，可重複使用的Falcon9火箭的一級、二級能夠利用自身引擎實現基於起落架的垂直著陸，實現火箭的完全垂直回收。第1級由亞軌道垂直返回發射場，第2級由於再入大氣層，因此需要設計專門的熱防護系統。兩級圓柱形火箭不會像太空梭那樣滑翔返回，而是依靠空氣動力學自製導返回，並垂直下落，通過火箭的動力反推進行減速並著陸。Falcon9可重複使用運載火箭各級的著陸器採用4腿式方案，4個鋼製腿狀支架均勻分布在火箭底部，其中二級著陸支架有向外展開和向內摺疊兩種布局方案，前者是避免由於發動機噴管火焰的燒蝕，後者是為了使其免受再入阻力。可重複使用的各級火箭通過燃料的補充和適當的修復，實現重複發射。
熱防技術
可重複使用熱防護技術是未來可重複使用太空飛行器必須解決的技術難題之一。新一代可重複使用太空飛行器的特點要求熱防護系統滿足耐高溫更高、抗燒蝕、可重複使用、高效隔熱、高可靠性以及低成本等要求。
結構壽命
太空飛行器可重複使用可顯著降低空間旅行的成本，而太空飛行器在兩次飛行之間的結構健康狀況評估成為關鍵問題之一。經研究提出了一種用於太空飛行器結構壽命跟蹤的數字雙框架，數字雙框架是工程系統的數字表示。它可以對真實工程系統進行實時模擬、監測、診斷、狀態預測和最佳化操作。
可重複使用太空飛行器任務規劃
發射動態
發射記錄
發射時間 | 返回時間 | 運載火箭 | 飛行（軌道） | 發射場 | 備註 |
|---|---|---|---|---|---|
2020年9月4日 | 2020年9月6日 | 長征二號F | - | 酒泉 | 成功 |
2021年7月16日 | - | - | 首飛（亞軌道） | 酒泉 | 成功 |
2022年8月26日 | - | - | 首次重複使用（亞軌道） | 酒泉 | 成功 |
2022年8月5日 | 2023年5月8日 | 長征二號F | - | 酒泉 | 成功 |
發射任務
2020年9月4日，中國在酒泉衛星發射中心成功發射的可重複使用太空飛行器，在軌飛行2天后，於9月6日成功返回預定著陸場。
2021年7月16日，由中國航天科技集團有限公司一院研製的亞軌道重複使用演示驗證項目運載器，在酒泉衛星發射中心準時點火起飛，按照設定程式完成飛行後，平穩著陸於阿拉善右旗機場，首飛任務取得成功。中國研製單位介紹，亞軌道遠地點高度最低為80至100千米，理論上最高可達地球引力邊緣，即150萬千米。射程較遠的彈道飛彈被動段軌跡即為亞軌道。亞軌道還廣泛套用於探空火箭和太空旅遊等方面。
2022年8月5日，中國在酒泉衛星發射中心，運用長征二號F運載火箭，成功發射一型可重複使用的試驗太空飛行器。
2022年8月26日，由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院自主研製的升力式亞軌道運載器重複使用飛行試驗獲得成功。飛行試驗採用的運載器，經健康檢測維護後，在酒泉衛星發射中心再次點火垂直起飛，按照設定程式完成亞軌道飛行，平穩水平著陸於阿拉善右旗機場，成功實現中國亞軌道運載器的首次重複使用飛行。本次飛行試驗的成功，有力推動了中國航天運輸技術由一次性使用向重複使用的跨越式發展。
2023年5月8日，中國在酒泉衛星發射中心成功發射的可重複使用試驗太空飛行器，在軌飛行276天后，於當日成功返回預定著陸場。該次試驗的成功，標誌著中國可重複使用太空飛行器技術研究取得重要突破，後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。
2023年12月14日，中國在酒泉衛星發射中心，運用長征二號F運載火箭，成功發射一型可重複使用的試驗太空飛行器。試驗太空飛行器將在軌運行一段時間後，返回國內預定著陸場，其間將按計畫開展可重複使用技術驗證及空間科學實驗，為和平利用太空提供技術支撐。
技術創新
全面提升
中國可重複使用運載器的研究將帶動高超聲速空氣動力學、高精度制導控制、先進空天動力、耐高溫輕質材料與結構製造、重複使用評估標準等學科和技術的發展，即對重複使用運輸系統開展的相關研究將進一步促進中國基礎學科和工程技術水平的整體提升。
成本優勢
隨著載人航天活動規模的擴大，人類在太空居住與生存的時間變長，承擔運輸的太空飛行器的發射頻次逐漸變高。而高昂的成本是制約載人航天任務發展的主要因素。太空飛行器的低成本運營已成為未來載人航天發展的必然要求，中國可重複使用太空飛行器的發展，其重複使用技術成為降低航天運營成本的重要手段之一。
可重複使用太空飛行器成本分析
總體評價
隨著X-37B軌道試驗飛行器的連續飛行試驗成功，其先進性能和可能軍事用途引起了世界各國的極大關注。雖然X-37B還只是一架技術驗證機，但以美國太空梭的成熟技術和幾十年的使用經驗，美國的“空天飛機”遲早會成功，空天飛機的出現及大量運用將對未來戰爭產生深刻的影響。在戰略機遇期，需要緊密跟蹤先進國家在關鍵領域的研究動態和進展，借鑑有關經驗和教訓，科學謀劃實施，加強關鍵技術研究攻關和裝備研製，全面提升進入空間、利用空間和控制空間的能力。
中國多次強調，“發展可重複使用太空飛行器，意在為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式”，它屬於天地往返航天運輸系統之一。
總之， 航天運輸系統是牽動航天產業發展和科技進步的龍頭。重複使用運載器的發展會提升中國自主進入空間的能力， 加快中國運載火箭更新換代的腳步， 助力中國向世界航天強國邁進。（環球網、科普中國網、《飛航飛彈》《太空探索》 評）
